分享基于89C51的攝像鏡頭控制電路設計

視頻監(jiān)控作為一種遠程監(jiān)測、監(jiān)控手段，以其信息的豐富性和結果的直觀性受到諸多行業(yè)的青睞，被廣泛應用于自動控制、產(chǎn)品檢測、安全監(jiān)控、信息采集等領域。

1 概述

視頻監(jiān)控作為一種遠程監(jiān)測、監(jiān)控手段，以其信息的豐富性和結果的直觀性受到諸多行業(yè)的青睞，被廣泛應用于自動控制、產(chǎn)品檢測、安全監(jiān)控、信息采集等領域。其基本工作原理是通過攝像機采集被監(jiān)視對象的圖像信息，并傳送到相應的終端設備和控制設備，實現(xiàn)監(jiān)控功能。在這些系統(tǒng)中，攝像機拍攝的圖像質(zhì)量往往是系統(tǒng)應用效果的決定性因素，因此必須根據(jù)拍攝現(xiàn)場的條件對攝像機進行適當?shù)目刂啤?/p>

目前，監(jiān)控系統(tǒng)中采用的攝像機從結構上主要分為兩類，一類是具有內(nèi)置鏡頭的一體化攝像機，另一類是需要選配鏡頭的獨立攝像機。前者結構簡單使用方便，并且具備多種控制功能，允許用戶直接通過相關設備遠端控制各項拍攝參數(shù)(包括光圈大小、快門速度、圖像增益、圖像聚焦、變焦等)，運用靈活，但是由于其內(nèi)置鏡頭性能的影響，限制了它的使用范圍，在一些環(huán)境特殊或者拍攝要求較高的場合并不適用。而后一類攝像機可以根據(jù)拍攝現(xiàn)場的需要選配合適的攝像鏡頭，從而滿足各種拍攝需要，但是對這類攝像機拍攝參數(shù)的控制相對困難，尤其是對光圈、聚焦、變焦等參數(shù)的調(diào)節(jié)必須通過對鏡頭本身進行控制來實現(xiàn)，因此需要額外增加一組攝像鏡頭控制電路來完成這一功能。

本文針對這一問題，討論了三可變攝像鏡頭的控制方式和控制電路設計。

2 攝像鏡頭控制原理

攝像機鏡頭的主要參數(shù)包括：配套攝像機CCD(Charge Coupled Device電荷耦合器，即攝像機的光感元件)的大小、焦距、光圈、聚焦方式和接口，其中焦距、光圈和聚焦是在拍攝過程中需要精心調(diào)節(jié)的參數(shù)，尤其是光圈大小的調(diào)節(jié)更是攝像機適應光線變化的根本方法。按照攝像機鏡頭光圈的調(diào)節(jié)方式，鏡頭主要分為自動光圈和手動光圈兩類。

自動光圈鏡頭根據(jù)驅(qū)動方式的不同分為視頻驅(qū)動和直流驅(qū)動兩種，但是都可以根據(jù)攝像機成像的亮度，通過鏡頭內(nèi)部電路自動調(diào)節(jié)光圈的大小，從而達到較好的拍攝效果。這類鏡頭不需要過多的外部控制電路，尤其是視頻驅(qū)動自動光圈鏡頭，僅需要將攝像機產(chǎn)生的視頻圖像模擬信號接入鏡頭光圈控制端即可。這類鏡頭雖然可以根據(jù)外部光線的情況自動調(diào)節(jié)光圈大小以達到較好的成像效果，但是由于其調(diào)節(jié)過程對于外部控制器是不開放的，因此在一些需要系統(tǒng)控制器進行特殊控制的場合并不完全適用。另外。目前的高清晰工業(yè)攝像機往往沒有視頻圖像的模擬輸出，因此使用自動光圈鏡頭也存在一些困難。

手動光圈鏡頭分為定焦鏡頭、手動光圈變焦鏡頭和三可變鏡頭。其中，定焦鏡頭和手動光圈鏡頭都需要通過手工調(diào)節(jié)鏡頭的光圈、聚焦等參數(shù)實現(xiàn)鏡頭的調(diào)節(jié)，因此對于自動工作的系統(tǒng)適應性較差。三可變鏡頭可以通過鏡頭內(nèi)部電機進行光圈、變焦、聚焦的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)鏡頭參數(shù)的完全電可控，便于自動控制系統(tǒng)和遠端監(jiān)控根據(jù)實際應用需要用程序調(diào)節(jié)鏡頭的拍攝參數(shù)．以滿足特定的拍攝要求。本文主要針對這一類鏡頭，并以Computar的H6Z0812M型TV ZOOM LENS三可變鏡頭為例討論其控制電路的設計。

此鏡頭的控制主要通過在三對控制信號線上加載+8 V～+12 V或-8 V～12 V電源實現(xiàn)。這三對控制信號線分別對應光圈、變焦、聚焦參數(shù)的調(diào)節(jié)，而每對控制信號的電源極性和存在時間長短決定了參數(shù)變化的方向和變化量的大小。例如：在光圈控制端輸入+12 V電源則光圈變大，通電時間越長光圈開的越大：反之，輸入-12 V電源則光圈變小。通電時間越長則光圈變得越小。本文所討論的鏡頭控制電路主要按照系統(tǒng)終端或計算機的控制指令，為三可變鏡頭的三個輸入端提供具有精確脈沖寬度、正確極性和合適幅度的控制電壓信號，實現(xiàn)系統(tǒng)控制器對鏡頭參數(shù)的完全控制。

3 三可變鏡頭控制電路設計

根據(jù)前面的介紹，可以確定三可變鏡頭的控制電路完成控制功能需要三個步驟：1)與控制計算機進行通信，接收控制指令；2)解析控制指令的內(nèi)容，生成基本控制信號；3)控制功率電路產(chǎn)生鏡頭控制所需的控制信號。由于需要完成數(shù)據(jù)通訊和指令解析的功能，本文選擇具有串行通信接口的51系列單片機89C51為核心設計鏡頭的控制電路。電路與上述三個步驟的工作相對應，分為串行通信電路、中心控制電路、執(zhí)行電路三個部分。

3.1 串行通信電路

89C51單片機的串行接口采用了TTL電平方式，即2.4 V以上代表數(shù)字1，0.45 V以下代表數(shù)字0，而一般的標準串行通信標準RS232則用大于+2V的電壓表示數(shù)字0，用小于-2 V的電壓表示數(shù)字1。因此，89C51與控制計算機之間的串行通信接口必須經(jīng)過電壓轉化。一般的方法是采用專用器件(如MAX232等)完成這一轉換，但是需要額外提供一組±12 V電源，不利于設備的安全，另外由于電路只需要接收串行信息，因此本設計采用如圖1所示的電路完成電平轉換，實現(xiàn)串行通信。

當RS232傳送數(shù)字“0”時，TXD和GND之間出現(xiàn)一個大于+2 V的電壓，光電耦合器TLP521一次側發(fā)光，二次側導通，輸出低電平，對應TTL邏輯“0”；當RS232傳送數(shù)字“1”時，TXD和GND之間出現(xiàn)一個小于-2 V的電壓，光電耦合器TLP521一次側不發(fā)光，二次側不導通，輸出高電平，對應TTL邏輯“1”，從而完成了電平轉換，實現(xiàn)了串行數(shù)據(jù)的接收。這一電路不需要額外提供±12V電源，而且能夠避免控制計算機與鏡頭控制電路的直接電氣連接，對于野外應用具有更高的安全性。

3.2 執(zhí)行電路設計